KR20070063447A

KR20070063447A - 마모가 수반되는 내열성 초합금 (ｈｒｓａ) 및 스테인리스강의 분단가공 및 홈가공용 초경합금 인서트

Info

Publication number: KR20070063447A
Application number: KR1020060127299A
Authority: KR
Inventors: 마린 모르텐손; 마트스 알그렌; 안데르스 노르드그렌; 마르쿠스 힐봄; 마르틴 한손
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2007-06-19
Also published as: US20070160843A1; SE530253C2; IL179723A0; EP1798310A2; EP1798310A3; JP2007190669A; SE0601758L

Abstract

본 발명은 기재 및 코팅을 포함하는 내열성 초합금 및 스테인리스 강의 분단가공 및 홈가공용 절삭 인서트에 관한 것이다. 이 기재는 5 ~ 7 wt% Co, 0.15 ~ 0.60 wt% TaC 및 0.10 ~ 0.50 wt% NbC 및 잔부로서 WC를 포함한다. 이 코팅은 x = 0.6 ~ 0.7 이고, 두께가 1 ~ 3.8 ㎛ 인 균일한 Al_xTi₁ _- _xN 층을 포함한다.

초경 합금 인서트, HRSA, 스테인리스 강

Description

마모가 수반되는 내열성 초합금 (ＨＲＳＡ) 및 스테인리스 강의 분단가공 및 홈가공용 초경합금 인서트{CEMENTED CARBIDE INSERTS FOR WEAR DEMANDING PARTING AND GROOVING IN HEAT RESISTANT SUPER ALLOYS (HRSA) AND STAINLESS STEELS}

본 발명은 특히 내열성 초합금 및 스테인리스 강의 분단가공 및 홈가공에 유용한 코팅된 절삭 공구 인서트에 관한 것이다. 비교적 얇은 PVD 층은 플랭크 내마모성, 코팅 부착력 및 노치 내마모성을 매우 향상시키고, 세립 기재는 소성 변형에 대한 우수한 저항성을 제공한다.

내열성 초합금 및 스테인리스 강의 분단가공 및 홈가공용 코팅된 절삭 공구 인서트 및 특히 이들의 날 끝에는 다음과 같은 특성이 구비되어야 한다:

1. 절삭 공정은 절삭날 및 인서트에서 고온을 생성하므로 소성 변형에 대한 높은 저항성이 있어야 한다.

2. 플랭크 마모의 빠른 성장을 피하기 위하여, 절삭 마모 (abrasive wear) 에 대한 우수한 저항성이 있어야 한다.

3. 응착 마모에 대한 저항성이 우수하며, 기재와 코팅 사이의 부착력이 매우 우수해야 한다. 내열성 초합금 및 스테인리스 강으로부터 배출된 칩은 인서트 표면에 용접되는 경향이 상당히 있다.

4. 절삭 깊이 및 2차 절삭날에서 발생하는 노치 마모에 대한 저항성이 우수해야 한다.

5. 파손 및 칩핑을 피하기 위하여 날 끝 인성이 우수해야 한다. 내열성 초합금 및 스테인리스 강을 기계 가공할 때, 우수한 칩 제어를 달성하는 것이 일반적으로 곤란하기 때문에, 날 끝의 파단을 야기하는 칩 해머링 (hammering) 및 칩 재밍 (jamming) 을 초래할 것이다.

US 6,261,673 에는 강 또는 스테인리스 강의 관 또는 바 (bar) 와 같은 강 요소의 홈가공 또는 분단가공에 유용한 코팅된 초경합금 인서트가 개시되어 있다. 이 인서트의 특징은 다량의 W가 합금원소로 첨가된 Co 바인더상 및 주상 입자를 가진 TiC_xN_yO_z의 내층, 그 다음의 세립 κ-Al₂O₃ 층과 TiN의 최상층을 포함하는 비교적 얇은 코팅을 구비한 WC-Co 계 초경합금 기재에 있다.

US 6,342,291 에는 강 또는 스테인리스 강의 관 또는 바와 같은 강 요소의 홈가공 또는 분단가공에 유용한 코팅된 절삭공구가 개시되어 있다. 이 인서트의 특징은 다량의 W가 합금원소로 첨가된 Co 바인더상 및 Ti/Al 비에 따라 다양하게 변하는 (repeated variation) 조성물 (Ti_xAl₁ _-x)N 의 서브층의 다층 구조를 포함하는 경질의 내마모성 코팅을 구비한 WC-Co 계 초경합금 기재에 있다.

본 발명의 목적은 내열성 초합금 및 스테인리스 강의 분단가공 및 홈가공에 특히 유용한 절삭공구 인서트를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은 날 끝을 따라서 향상된 내마모성 및 노치 저항성과 향상된 코팅 부착력을 가진 절삭공구를 제공하는 것이다.

현재 비교적 얇고 균일한 (Ti, Al)N PVD 층은 플랭크 및 노치 내마모성을 현저하게 향상시키고 동시에 응착 마모를 감소시키며, 세립 기재와의 조합으로 소성 변형에 대한 우수한 저항성을 제공한다는 것을 알아내었다.

따라서, 본 발명은 초경합금 기재 및 코팅을 포함하는 코팅된 절삭공구 인서트에 관한 것이다. 이 초경합금 기재는 5 ~ 7 wt% Co, 바람직하게는 5.8 ~ 6.2 wt% Co, 가장 바람직하게는 6.0 wt% Co, 0.15 ~ 0.60 wt% TaC, 바람직하게는 0.20 ~ 0.30 wt% TaC, 0.10 ~ 0.50 wt% NbC, 바람직하게는 0.10 ~ 0.20 wt% NbC 및 잔부로서 WC를 포함한다. 이 초경합금체는 소량의 다른 원소도 또한 포함하지만, 그 양은 기술적 불순물 (technical impurity) 에 상응하는 정도이다. 보자력은 19.5 ~ 24.5 kA/m 이다.

코발트 바인더상은 본 발명의 초경합금 절삭 인서트에 소망하는 성질을 제공하는 특정량의 W로 합금된다. 바인더상 내의 W는 코발트의 자성에 영향을 미치며, 따라서 다음과 같이 규정된 CW 비와 관련될 수 있다.

CW 비 = Co의 마그네틱% / Co의 wt%

여기에서, Co의 마그네틱% 는 마그네틱 Co의 중량% 이며, Co의 wt% 는 초경합금 내의 Co의 중량% 이다.

이 CW 비는 합금의 정도에 따라 1 ~ 약 0.75 이다. 낮은 CW 비는 높은 W 함량을 의미하며, CW 비 = 1 인 경우는 바인더상에 실제로 W가 존재하지 않음을 의미한다.

향상된 절삭 성능은 초경합금의 CW 비가 0.85 ~ 1.00, 바람직하게는 0.9 ~ 0.98, 가장 바람직하게는 0.92 ~ 0.97 인 경우에 달성된다는 것을 알아냈다.

코팅은 x = 0.6 ~ 0.67, 바람직하게는 x = 0.62 인 균일한 Al_xTi₁ _- _xN 층을 포함한다. 이 층의 두께는 1 ㎛ 초과, 바람직하게는 1.8 ㎛ 초과이지만 3.8 ㎛ 미만, 바람직하게는 3.0 ㎛ 미만이다. 조성 및 두께는 노즈 반경 0.2 mm 아래의 플랭크 및 절삭날의 중심부에서 측정된다.

본 발명은 또한 초경합금 기재 및 코팅을 포함하는 코팅된 절삭공구 인서트의 제조 방법에 관한 것이다. 이 초경합금 기재는 밀링, 프레싱 및 소결과 같은 종래의 분말 금속학적 방법을 사용하여 제조되며, 5 ~ 7 wt% Co, 바람직하게는 5.8 ~ 6.2 wt% Co, 가장 바람직하게는 6.0 wt% Co 및 0.15 ~ 0.60 wt% TaC, 바람직하게는 0.20 ~ 0.30 wt% TaC 및 0.10 ~ 0.50 wt% NbC, 바람직하게는 0.10 ~ 0.20 wt% NbC 및 잔부로서 WC를 포함한다. 초경합금체는 소량의 다른 원소를 포함할 수도 있지만, 그 양은 기술적 불순물에 상응하는 정도이다. 보자력은 19.5 ~ 24.5 kA/m 이다.

CW 비는 0.85 ~ 1.00, 바람직하게는 0.9 ~ 0.98, 가장 바람직하게는 0.92 ~ 0.97 이며, 분말 혼합물에 적정량의 카본 블랙 또는 텅스텐 분말을 가함으로써 조 정된다.

종래의 후 소결 처리 후에, N₂ 가스 분위기에서 x = 0.6 ~ 0.67, 바람직하게는 x = 0.62 인 Al_xTi₁ _- _xN 층이 적절한 조성의 TiAl 합금으로 구성된 타겟 물질을 사용하는 음극 아크법 (cathodic arc evaporation) 을 사용하여 증착된다. 이 층의 총 두께는 1㎛ 초과, 바람직하게는 1.5 ㎛ 초과이지만, 3.8 ㎛ 미만, 바람직하게는 3.0 ㎛ 미만이다.

본 발명은 또한 Inconel 718, Sanmac 304L 및 오스테나이트계 스테인리스 강과 같은 내열성 스테인리스 강 및 초합금의 분단가공 및 홈가공을 위한 전술한 인서트의 30 ~ 250 m/min 의 절삭속도 및 0.05 ~ 0.2 mm/rev 의 이송 속도에서의 사용에 관한 것이다.

예 1 (본 발명)

A. 조성이 6 wt% Co, 0.16 wt% NbC, 0.23 wt% TaC 및 잔부로서 WC를 포함하고, 약 1.2 ㎛의 평균 입도 및 0.95 의 CW 비에 해당하는 5.7 wt% 마그네틱 Co 함량에 해당하는 보자력이 22.5 kA/m 인 초경합금으로 제조된 절삭 인서트에 음극 아크법에 의한 균일한 (Ti, Al)N 층이 증착되었다. 이 층은 Ti₃₃Al₆₇합금을 포함하는 타겟 물질을 사용하여 증착되었다. 아크 증발 (arc evaporation) 은 N₂ 가스 분위기에서 실시되었다. 노즈 반경 0.2 mm 아래의 플랭크 및 절삭날의 중심부에서 측정된 이 층의 두께는 2.5 ㎛ 였다. 이 층은 균일한 Al_0.62Ti_0.38N을 포함 하는 것으로 SEM-EDS에 의해 측정되었다.

예 2

B. (상업적으로 입수 가능) A와 동일한 조성 및 물리적 성질을 갖는 초경합금 홈가공용 인서트가 균일한 Ti₀ _.5Al₀ _.5N 층 및 TiN 층과 Ti₀ _.5Al₀ _.5N 층이 교대로 적층된 라멜라 층을 순서대로 포함하는 4.4 ㎛의 PVD (Ti, Al)N 다층으로 코팅되었다. 이 순서를 12회 반복하였다. 균일한 Ti₀ _.5Al₀ _.5N 층의 두께는 0.1 ~ 0.2 ㎛ 였으며, 라멜라 층의 두께는 0.1 ~ 0.2 ㎛ 였다. 라멜라 층의 TiN 또는 Ti₀ _.5Al₀ _.5N 층의 개별 두께는 각각 0.1 ~ 20 nm 였다. SEM-EDS로 측정된 다층의 평균 조성은 Ti₀ _.8Al₀ _.2N 이었다.

예 3

인서트 A 및 B 는 오스테나이트계 스테인리스 주강 (cast austenitic stainless steel) 요소에 대한 홈가공 및 홈 윤곽가공으로 시험되었다. 홈의 외경은 160 mm, 내경은 131 mm, 그리고 홈의 폭은 6 mm 였다.

작업: 홈가공 및 윤곽가공

재료: 오스테나이트계 스테인리스 주강, CMC 15.21

인서트형: N123G2-0300-0003-TF

절삭 속도: 60 m/min

이송 속도: 0.15 mm/rev

요소당 시간: 3 min

결과

	완성품의 개수 (개)	공구 수명 (분)
그레이드 A (본 발명)	59	177 (절삭)
그레이드 B (종래 기슬)	15	45 (절삭)

예 4

인서트 A 및 B 는 Inconel 718 에서 콘의 홈가공 및 선삭 시험되었다. 콘의 외경은 47 mm, 내경은 16 mm 였다.

작업: 선삭 및 홈가공

재료: Inconel 718, CMC 20.22

인서트형: N123H2-0400-0004-TF

	그레이드 A (본 발명)	그레이드 B (종래 기술)
절삭 속도	50 m/min	45 m/min
홈가공 이송 속도	0.08 mm/rev	=
선삭 이송 속도	0.13 mm/rev	=
절살 깊이	2 mm	=

결과: 그레이드 A 의 공구 수명은 4개 였으며, 이들은 3분 17초에 완성되었다. 인서트 B 의 공구 수명은 2개 였으며, 이들은 3분 31초에 완성되었다.

예 5

인서트 A 및 B 는 Inconel 718 의 홈가공으로 시험되었다. 홈의 외경 (D₀) 은 100 mm, 내경 (D_i) 은 80 mm, 그리고 홈의 폭은 3 mm 였다.

작업: 홈가공

재료: Inconel 718, CMC 20.22

인서트형: N123G2-0300-0002-GF

절삭 속도: 45 m/min

이송 속도: 0.08 mm/rev

소정의 플랭크 마모 0.2 mm 에서의 Spiral Cutting Length [SCL = ((D₀ (외경, mm) + D_i (내경, mm)) /2 x Π / 1000) x 홈의 깊이 (mm) / 이송 속도 (mm/rev) x 홈의 개수] 및 공구 수명 (min) 에 대한 결과.

그레이드 A (본 발명): SCL 200 m = 4.4 min

그레이드 B (종래 기술): SCL 140 m = 3.1 min.

예 6

인서트 A 및 B 는 Inconel 718 의 홈가공으로 시험되었고, 이때 D₀ 은 100 mm, D_i 은 80 mm, 그리고 폭은 3 mm 이었다.

작업: 홈가공

재료: Inconel 718, CMC 20.22

인서트형: N123F2-0300-RO

절삭 속도: 45 m/min

이송 속도: 0.08 mm/rev

소정의 플랭크 마모 0.2 mm 에서의 Spiral Cutting Length (SCL) 및 공구 수명 (min) 에 대한 결과:

그레이드 A (본 발명): SCL 630 m = 14 min

그레이드 B (종래 기술): SCL 370 m = 8.2 min.

예 7

인서트 A 및 B 는 스테인리스 강 Sanmac 304L 의 홈가공으로 시험되었고, 이때 D₀ 은 20 mm, D_i 은 6 mm, 그리고 폭은 3 mm 이었다.

작업: 홈가공

재료: CMC 05.21 Sanmac 304L

인서트형: N123G2-0300-0002-GF

절삭 속도: 225 ~ 85 m/min

이송 속도: 0.07 mm/rev

소정의 플랭크 마모 0.15 mm 에서의 홈의 개수 및 공구 수명 (min) 에 대한 결과:

그레이드 A (본 발명): 2200 개의 홈 = 50.6 min

그레이드 B (종래 기술): 850 개의 홈 = 19.6 min.

본 발명에 따른 초경합금 기재 및 코팅을 구비한 절삭공구 인서트는 플랭크 및 노치 내마모성이 향상되어 종래 기술에 비해 공구 수명이 향상되었다.

Claims

기재 및 코팅을 포함하는, 내열성 초합금 및 스테인리스 강의 분단가공 및 홈가공용 절삭 인서트에 있어서,

상기 기재는 5 ~ 7 wt% Co, 바람직하게는 5.8 ~ 6.2 wt% Co, 가장 바람직하게는 6 wt% Co 및 0.15 ~ 0.60 wt% TaC, 바람직하게는 0.20 ~ 0.30 wt% TaC 및 0.10 ~ 0.50 wt% NbC, 바람직하게는 0.10 ~ 0.20 wt% NbC 및 잔부로서 WC를 포함하며, 보자력은 19.5 ~ 24.5 kA/m 이며, CW 비는 0.85 ~ 1.00, 바람직하게는 0.9 ~ 0.98, 가장 바람직하게는 0.92 ~ 0.97 이며,

상기 코팅은 x = 0.6 ~ 0.67, 바람직하게는 x = 0.62 이며, 두께는 1 ㎛ 초과, 바람직하게는 1.8 ㎛ 초과, 3.8 ㎛ 미만, 바람직하게는 3.0 ㎛ 미만인 균일한 Al_xTi_1-xN 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 인서트.
초경합금 기재 및 코팅을 포함하는 코팅된 절삭공구 인서트의 제조 방법으로서,

- 밀링, 프레싱 및 소결과 같은 종래의 분말야금학적 방법을 사용하여, 5 ~ 7 wt% Co, 바람직하게는 5.8 ~ 6.2 wt% Co, 가장 바람직하게는 6.0 wt% Co 및 0.15 ~ 0.60 wt% TaC, 바람직하게는 0.20 ~ 0.30 wt% TaC 및 0.10 ~ 0.50 wt% NbC, 바람직하게는 0.10 ~ 0.20 wt% NbC 및 잔부로서 WC를 포함하며, 보자력은 19.5 ~ 24.5 kA/m 이며, CW 비는 0.9 ~ 0.98인 기재를 제공하는 단계,

- 상기 기재를 종래의 후 소결처리 하는 단계, 및

- 적절한 조성의 TiAl 합금을 포함하는 타겟 물질을 사용하는 음극 아크법에 의해 x = 0.6 ~ 0.67, 바람직하게는 x = 0.62 인 Al_xTi₁ _- _xN 층을 포함하는 상기 코팅을 N₂ 가스 분위기에서 코팅의 총 두께가 1㎛ 초과, 바람직하게는 1.5 ㎛ 초과, 3.8 ㎛ 미만, 바람직하게는 3.0 ㎛ 미만으로 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구 인서트의 제조 방법.
30 ~ 250 m/min 의 절삭 속도 및 0.05 ~ 0.2 mm/rev 의 이송 속도로 Inconel 718, Sanmac 304L 및 오스테나이트계 스테인리스 강과 같은 내열성 초합금 및 스테인리스 강의 분단가공 및 홈가공에 사용되는 제 1 항에 따른 인서트의 용도.